本發(fā)明屬于金屬材料的表面處理領(lǐng)域，即鋼表面通過(guò)微弧氧化技術(shù)制備陶瓷層膜的一種制備方法。

背景技術(shù)：

1、火炮自誕生以來(lái)就是戰(zhàn)爭(zhēng)中重要的武器，人們就不斷改進(jìn)其性能，以期在各類(lèi)戰(zhàn)場(chǎng)上都能將更重的炮彈投射到更遠(yuǎn)的地方?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中更加需要火炮滿足射程遠(yuǎn)、火力強(qiáng)、精度高的要求，這就要求炮彈具有更高的初速度與動(dòng)能，因此炮彈中的發(fā)射藥裝填量越來(lái)越多，炮彈越來(lái)越重，軍隊(duì)對(duì)火炮裝備的性能要求也不斷提高，現(xiàn)代火炮也呈現(xiàn)出大威力、高膛壓、高初速、高過(guò)載的發(fā)展趨勢(shì)。

2、火炮身管作為火炮中一個(gè)重要的組成部分，其負(fù)責(zé)將炮彈自轉(zhuǎn)并以高速度發(fā)射到目標(biāo)周?chē)鹋谏砉艿墓ぷ鳝h(huán)境十分惡劣。在火炮發(fā)射過(guò)程中，身管內(nèi)壁不僅受到高溫、高壓、高速的火藥氣體及各類(lèi)微粒子的高速?zèng)_刷作用，同時(shí)還受到炮彈外側(cè)沿膛線的高速摩擦作用，對(duì)火炮身管內(nèi)壁造成了嚴(yán)重的燒蝕及磨損作用，嚴(yán)重影響了火炮的性能，使得火炮身管使用壽命出現(xiàn)急劇降低的窘?jīng)r。具體來(lái)說(shuō)，影響火炮身管的幾個(gè)因素分別為熱、化學(xué)、機(jī)械因素。

3、火炮身管用鋼本身就具有較高的硬度及良好的耐摩性能，但在高溫下的相關(guān)性能表現(xiàn)較為一般，為了進(jìn)一步提高其相關(guān)性能滿足使用要求，可以通過(guò)對(duì)其進(jìn)行表面改性處理，在其表面生成硬度更高、耐磨性能更強(qiáng)、高溫性能更佳的膜層以保護(hù)火炮炮管。目前火炮炮管常用的改性方法有電鍍、磁控濺射、熱熔覆、噴涂等，但每種方法都存在或多或少的問(wèn)題。

4、微弧氧化(micro-arc?oxidation，mao)技術(shù)作為一種綠色環(huán)保的表面加工工藝，可以直接在金屬表面原位生成出陶瓷相膜層，其膜層擁有高硬度、耐磨、耐腐蝕等性能，這正是火炮身管用鋼所需要的性能。若將該項(xiàng)技術(shù)成功用于處理火炮身管用鋼，可以提高其硬度、耐磨等性能，延長(zhǎng)火炮身管的使用壽命。

5、但微弧氧化技術(shù)一般用于處理al、mg、ti等閥金屬，對(duì)于鋼這一類(lèi)非閥金屬而言研究相對(duì)較少，在鋼表面上制備微弧氧化膜層面臨諸多挑戰(zhàn)，包括如何精準(zhǔn)控制微弧氧化過(guò)程中的電解液條件及電參數(shù)工藝以獲得理想的陶瓷層膜，以及封孔處理中該用何種納米顆粒等。為了在火炮炮鋼表面制得硬度較高、結(jié)合緊密、耐磨及高溫性能良好的微弧氧化陶瓷層膜，還需材料科學(xué)領(lǐng)域的學(xué)者們繼續(xù)研究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供基于火炮管身的鋼表面涂層電解液的噴涂方法及制備方法，為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

2、基于火炮管身的鋼表面涂層電解液的噴涂方法，其特征在于，包括以下步驟：

3、將預(yù)處理后的火炮身管用鋼置于配置好的電解液中，進(jìn)行微弧氧化處理，在電解液中施加高電壓產(chǎn)生微小電弧放電，使得炮鋼表面局部熔融并迅速冷卻，在其表面生成一層致密的陶瓷層膜；

4、后再通過(guò)外加納米顆粒對(duì)該膜層進(jìn)行封孔處理，改善膜層表面形貌；過(guò)程中需實(shí)時(shí)監(jiān)控微弧氧化過(guò)程中的電流密度、電壓大小、電解液成分及溫度等關(guān)鍵參數(shù)。

5、進(jìn)一步的，所配微弧氧化電解液成分包含以下濃度的電解質(zhì)原料：

6、偏鋁酸鈉(naalo2)15g/l；

7、磷酸二氫鈉(nah2po4)3g/l；

8、碳酸鈉(na2co3)3g/l；

9、四硼酸鈉(na2b4o7)3g/l；

10、氧化鋁納米顆粒(α-al2o3)3g/l；

11、其余皆為去離子水；

12、所述電解液中還需額外加入5ml/l的甘油，甘油不參與微弧氧化反應(yīng)，具體作用為減緩高電壓產(chǎn)生的電弧對(duì)電解液的蒸發(fā)作用；

13、進(jìn)一步，所配微弧氧化電解液成分包含以下濃度的電解質(zhì)原料：

14、偏鋁酸鈉(naalo2)15g/l；

15、磷酸二氫鈉(nah2po4)3g/l；

16、碳酸鈉(na2co3)3g/l；

17、四硼酸鈉(na2b4o7)3g/l；

18、其余皆為去離子水；

19、同樣的，所述電解液中還需額外加入5ml/l的甘油，甘油不參與微弧氧化反應(yīng)，具體作用為減緩高電壓產(chǎn)生的電弧對(duì)電解液的蒸發(fā)作用；另外，所加的α-al2o3納米顆粒粒徑為30納米。

20、進(jìn)一步，微弧氧化處理的具體步驟為：

21、步驟1，基體進(jìn)行預(yù)處理：基體切割為長(zhǎng)方體小塊并打孔，再對(duì)其打磨拋光處理，除掉表面殘留的打磨顆粒，再將其置于無(wú)水乙醇中進(jìn)行超聲清洗處理，除去表面的雜質(zhì)與油污，后對(duì)試樣進(jìn)行真空干燥處理，等待使用；

22、步驟2，電解液的配置與調(diào)節(jié)：稱(chēng)取計(jì)算量的偏鋁酸鈉、磷酸二氫鈉、碳酸鈉、四硼酸鈉并溶解于去離子水中，并在配置完成的電解液中加入甘油，溫度控制在室溫至40℃之間；

23、步驟3，設(shè)備調(diào)節(jié)：將炮鋼用鐵絲掛置于微弧氧化設(shè)備中，懸浮于電解液中，不要觸底，打開(kāi)冷卻水循環(huán)及攪拌裝置，炮鋼基體作為陽(yáng)極，微弧氧化機(jī)器內(nèi)膽作為陰極，形成電解池；

24、步驟4，電參數(shù)設(shè)置與監(jiān)控：設(shè)置好正負(fù)電壓、脈沖頻率、正負(fù)占空比等參數(shù)，在微弧氧化的反應(yīng)過(guò)程中，實(shí)時(shí)監(jiān)控電壓大小、電流密度、電解液溫度等關(guān)鍵參數(shù)，尋找合適的電參數(shù)使得電弧能夠維持放電狀態(tài)，確保局部熔融與快速冷卻過(guò)程的均勻發(fā)生；

25、步驟5，氧化時(shí)長(zhǎng)與膜層質(zhì)量控制：設(shè)定不同的氧化時(shí)長(zhǎng)，對(duì)試樣生成的膜層成型質(zhì)量進(jìn)行測(cè)試，選取合適的氧化時(shí)長(zhǎng)；

26、步驟6，后處理與初步檢測(cè)：微弧氧化反應(yīng)結(jié)束后，將試樣取出，用水沖洗以去除表面殘余的電解液，隨后進(jìn)行干燥處理。

27、進(jìn)一步，所述步驟4中的參數(shù)設(shè)置具體如下：

28、經(jīng)過(guò)多組控制變量法微弧氧化實(shí)驗(yàn)后，得到的合適的電參數(shù)為正向電壓為550v，負(fù)向電壓為-50v，脈沖頻率為800hz，正負(fù)占空比為20％。

29、進(jìn)一步，所述步驟4中的參數(shù)監(jiān)控具體包括：

30、電壓大小的管理與控制：在經(jīng)過(guò)多組不同電壓下的微弧氧化實(shí)驗(yàn)后得到合適的電壓大小，在微弧氧化實(shí)驗(yàn)前設(shè)定好電壓，并利用電源管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控反應(yīng)過(guò)程中的電壓大小波動(dòng)，從反應(yīng)開(kāi)始時(shí)的0v一直升至反應(yīng)所需的電壓550v，以及到達(dá)550v后的反應(yīng)持續(xù)過(guò)程中，若是電壓超過(guò)設(shè)定電壓±5％，那么電源系統(tǒng)就會(huì)實(shí)時(shí)調(diào)整供電策略，使得電壓正常，避免局部過(guò)熱或氧化不均勻，以免影響膜層的成型質(zhì)量；

31、電流密度的管理與控制：經(jīng)過(guò)多組微弧氧化實(shí)驗(yàn)后得到合適的電流密度范圍，在微弧氧化反應(yīng)過(guò)程中，可以通過(guò)電源管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控反應(yīng)過(guò)程中的電流密度大小，若是電流密度大小超出預(yù)定值，那么電源管理系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整電流密度，若是電流大小異常，那么系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)斷電以保護(hù)機(jī)器；

32、溫度的控制與適應(yīng)：在電解液中放入溫度測(cè)量傳感器，可以實(shí)時(shí)觀測(cè)到電解液的當(dāng)前溫度；

33、數(shù)據(jù)記錄與分析：在氧化過(guò)程中，各類(lèi)關(guān)鍵參數(shù)，包括電壓變化、電流密度大小、電解液溫度等都會(huì)被記錄下來(lái)，以供后續(xù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行參考。

34、進(jìn)一步，步驟5的氧化時(shí)長(zhǎng)調(diào)整如下：

35、在確定了合適的電參數(shù)后，選取幾組不同的氧化時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從10min至30min，在氧化結(jié)束后取出試樣，對(duì)試樣的膜層進(jìn)行初步檢測(cè)，主要有膜層成型質(zhì)量、表面形貌等基本特征，選取膜層較完整的一組試樣確定合適的氧化時(shí)長(zhǎng)。

36、進(jìn)一步，步驟6的初步檢測(cè)具體包括：

37、x射線衍射分析：將制備完成的膜層樣品切割成小塊體放入x射線衍射儀進(jìn)行物相分析，采用cu靶，所用管電壓為40kv，管電流為30ma。衍射角的范圍為20～80°，掃描速度2°/min。使用mdi?jade分析軟件對(duì)xrd測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，確認(rèn)膜層的物相組成；

38、膜層的表面形貌：用掃描電子顯微鏡對(duì)試樣膜層表面進(jìn)行拍攝，觀察其表面形貌，如孔洞大小、孔隙分布、粗糙度等；

39、膜層厚度測(cè)試：采用涂層厚度測(cè)量?jī)x對(duì)樣品膜層進(jìn)行厚度測(cè)量，實(shí)驗(yàn)前需進(jìn)行調(diào)零處理。測(cè)量時(shí)，對(duì)每個(gè)樣品的不同位置進(jìn)行多次測(cè)量，通過(guò)處理得到每個(gè)膜層樣品的平均厚度；

40、膜層硬度測(cè)試：采用顯微硬度測(cè)試儀來(lái)測(cè)量膜層樣品表面的硬度，從樣品表面不同的位置選擇12個(gè)點(diǎn)，減掉最值后計(jì)算平均值，以得到膜層的平均硬度；

41、膜層結(jié)合力測(cè)試：采用涂層附著力自動(dòng)劃痕儀對(duì)膜層樣品的結(jié)合力進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)束后，生成聲信號(hào)圖像，用以觀測(cè)膜層被刮破的載荷，并結(jié)合光學(xué)顯微鏡觀察膜層表面的劃痕，確認(rèn)膜層完全劃破的位置是否與涂層附著力自動(dòng)劃痕儀示數(shù)一致。

42、進(jìn)一步，微弧氧化封孔處理的具體步驟為：

43、步驟1，基體進(jìn)行預(yù)處理：基體切割為長(zhǎng)方體小塊并打孔，再對(duì)其打磨拋光處理，除掉表面殘留的打磨顆粒，再將其置于無(wú)水乙醇中進(jìn)行超聲清洗處理，除去表面的雜質(zhì)與油污，后對(duì)試樣進(jìn)行真空干燥處理，等待使用；

44、步驟2，電解液的配置與調(diào)節(jié)：稱(chēng)取計(jì)算量的偏鋁酸鈉、磷酸二氫鈉、碳酸鈉、四硼酸鈉及額外的氧化鋁納米顆粒溶解于去離子水中，并在配置完成的電解液中加入甘油，溫度控制在室溫至40℃之間；

45、步驟3，設(shè)備調(diào)節(jié)：將炮鋼用鐵絲掛置于微弧氧化設(shè)備中，懸浮于電解液中，不要觸底，打開(kāi)冷卻水循環(huán)及攪拌裝置，炮鋼基體作為陽(yáng)極，微弧氧化機(jī)器內(nèi)膽作為陰極，形成電解池；

46、步驟4，電參數(shù)設(shè)置與監(jiān)控：設(shè)置好正負(fù)電壓、脈沖頻率、正負(fù)占空比等參數(shù)，在微弧氧化的反應(yīng)過(guò)程中，實(shí)時(shí)監(jiān)控電壓大小、電流密度、電解液溫度等關(guān)鍵參數(shù)，尋找合適的電參數(shù)使得電弧能夠維持放電狀態(tài)，確保局部熔融與快速冷卻過(guò)程的均勻發(fā)生；

47、步驟5，氧化時(shí)長(zhǎng)與膜層質(zhì)量控制：設(shè)定不同的氧化時(shí)長(zhǎng)，對(duì)試樣生成的膜層成型質(zhì)量及相關(guān)性能進(jìn)行測(cè)試，選取合適的氧化時(shí)長(zhǎng)；

48、步驟6，后處理與性能檢測(cè)：微弧氧化反應(yīng)結(jié)束后，將試樣取出，用水沖洗以去除表面殘余的電解液，隨后進(jìn)行干燥處理，等待相關(guān)性能測(cè)試。

49、進(jìn)一步，所述步驟2中的電解液配置具體如下：

50、在對(duì)炮鋼完成微弧氧化處理并進(jìn)行相關(guān)性能檢測(cè)的基礎(chǔ)上，得到了比較合適的電解液成分(偏鋁酸鈉、磷酸二氫鈉、碳酸鈉及四硼酸鈉的含量)，需在電解液中加入不同含量的α-al2o3納米顆粒，配置多組不同納米顆粒濃度的電解液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

51、進(jìn)一步，所述步驟6的性能檢測(cè)具體包括：

52、初步檢測(cè)中的相關(guān)性能，具體包括：膜層的x射線衍射分析、膜層的表面形貌、膜層的厚度、膜層的顯微硬度、膜層與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度等；

53、膜層的表面元素分布：采用掃描電子顯微鏡對(duì)試樣膜層表面進(jìn)行拍攝，并利用sem附帶的能譜儀(eds)對(duì)膜層進(jìn)行元素成分分析；

54、膜層的截面形貌及元素分布：采用掃描電子顯微鏡對(duì)試樣膜層截面進(jìn)行拍攝，觀察微弧氧化膜層的致密層與疏松層的形貌及厚度，并利用sem附帶的能譜儀(eds)對(duì)膜層進(jìn)行元素成分分析，研究外加的α-al2o3納米顆粒是否進(jìn)入了孔洞內(nèi)部；

55、膜層高溫耐摩擦磨損測(cè)試：采用高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試膜層試樣在高溫條件下的耐摩擦磨損性能，si3n4小球與試樣膜層表面進(jìn)行對(duì)磨測(cè)試，結(jié)束后記錄下摩擦系數(shù)，并用三維輪廓儀對(duì)磨痕深度和磨痕寬度進(jìn)行測(cè)量，后采用掃描電鏡拍攝磨痕的微觀形貌，分析摩擦機(jī)理，并通過(guò)磨損質(zhì)量計(jì)算質(zhì)量磨損率，以評(píng)價(jià)試樣膜層的高溫耐磨性能；

56、膜層抗燒蝕性能測(cè)試：采用氧-乙烷火焰噴槍置測(cè)試膜層試樣在高溫火焰沖刷下的抗燒蝕性能，噴口與試樣表面呈90°進(jìn)行燒蝕，記錄燒蝕前后的質(zhì)量變化，計(jì)算質(zhì)量燒蝕率，來(lái)評(píng)價(jià)試樣膜層的耐燒蝕性能；

57、膜層抗熱震性能測(cè)試：采用循環(huán)加熱-淬火冷卻方法測(cè)試膜層的抗熱震性能，將試樣放置與馬弗爐中，加熱至設(shè)定溫度并保溫后，將其取出進(jìn)行淬火迅速冷卻后觀察膜層的表面形貌，膜層是否有破損、開(kāi)裂現(xiàn)象，來(lái)評(píng)價(jià)試樣膜層抗熱震的性能；

58、本發(fā)明的有益效果如下：

59、1.提升了材料的性能：經(jīng)過(guò)微弧氧化處理后，炮鋼的硬度、耐磨性能、高溫性能等均有一定提升，這些性能的提升，可以顯著提升炮鋼作為火炮身管時(shí)的使用壽命；

60、2.非閥金屬的微弧氧化的研究：微弧氧化技術(shù)受到技術(shù)本身的限制，一般用于al、mg、ti等閥金屬，而本發(fā)明則研究了鋼進(jìn)行微弧氧化表面處理后其表面原位生成的陶瓷層膜性能如何，相較閥金屬雖有不足，但強(qiáng)化效果良好；

61、3.操作簡(jiǎn)單、易重復(fù)：通過(guò)確認(rèn)電解液的成分、反應(yīng)時(shí)的電壓、電流變化過(guò)程以及電解液的溫度閾值，即可簡(jiǎn)單的重復(fù)出氧化過(guò)程；

62、4.綠色環(huán)保：實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所用的電解液為弱堿性，相比酸性電解液，對(duì)環(huán)境破壞較小，對(duì)環(huán)境更加友好。